|
Новое состояние вещества, среднее между жидким и твердым
|
|
|
|
Понимание атомных механизмов металлов важно как никогда, поскольку технологии постоянно растущей сложности должны максимально эффективно использовать редкоземельные металлы. Одна из самых интересных областей исследований в настоящее время находится на границе между металлическими жидкостями и твердыми телами.
|
|
|
|
Обычно мы представляем себе материю в трех формах: в виде газа, жидкости или твердого тела (иногда плазмы, если вы увлекаетесь подобными астрофизическими вещами). Несмотря на то, что мы довольно хорошо понимаем свойства газов и твердых тел, именно третья основная форма вещества — жидкости — по-прежнему способна удивлять.
|
|
|
|
В новой статье, опубликованной на этой неделе в журнале ACS Nano, ученые из Ноттингемского университета в Великобритании и Ульмского университета в Германии в очередной раз показали, почему многие аспекты жидкостей остаются загадочными. Проводя просвечивающую электронную микроскопию в процессе затвердевания наночастиц расплавленного металла, ученые заметили, что некоторые атомы в жидкости остаются неподвижными - нетипичное явление, поскольку атомы в жидкости обычно перемешиваются, как незнакомцы, затерявшиеся в толпе.
|
|
|
|
Исследователи смогли провести эксперимент благодаря субангстремовому низковольтному электронному микроскопу SALVE из Университета Ульма, основной задачей которого является изучение чувствительных к излучению материалов со сверхвысоким разрешением с помощью просвечивающей электронной микроскопии. В то время как большинство атомов в жидких формах различных металлов действительно вибрировали, как и ожидалось, ученые заметили, что некоторые из них странным образом оставались на месте.
|
|
|
|
|
|
|
“Мы начали с плавления металлических наночастиц, таких как платина, золото и палладий, нанесенных на атомарно тонкую подложку — графен”, - сказал Кристофер Лейст, соавтор исследования из Университета Ульма, в заявлении для прессы. “В этом процессе мы использовали графен как своего рода варочную панель для нагрева частиц, и по мере того, как они плавились, их атомы начинали быстро перемещаться, как и ожидалось. Однако, к нашему удивлению, мы обнаружили, что некоторые атомы оставались неподвижными”.
|
|
|
|
Эти атомы оставались неподвижными и соединялись с материалами подложки вокруг точечного дефекта. Увеличивая количество дефектов с помощью электронного пучка, ученые могли эффективно контролировать количество неподвижных атомов в жидкости. Это очень важно, потому что по мере того, как жидкость становится твердой, количество и положение атомов внутри нее могут напрямую влиять на процесс затвердевания. Если количество неподвижных атомов невелико, жидкость в конечном итоге все равно затвердевает, но если их количество велико, то можно фактически предотвратить образование кристаллической решетки в жидкости. Этот эффект был особенно заметен, когда авторы создали кольцо, или загон, из неподвижных атомов вокруг жидкости, а затем понизили температуру.
|
|
|
|
“Как только жидкость попадает в этот атомный загон, она может оставаться в жидком состоянии даже при температурах, значительно ниже точки замерзания, которая для платины может достигать 350 градусов по Цельсию, что более чем на 1000 градусов ниже ожидаемой”. Андрей Хлобыстов, соавтор исследования из Ноттингемского университета, заявил в заявлении для прессы. “Наше достижение может предвещать появление новой формы вещества, сочетающей характеристики твердых и жидких частиц в одном и том же материале”.
|
|
|
|
Как ни странно, жидкость все равно в конечном итоге затвердеет — не в типичную кристаллическую структуру, а в “аморфное твердое вещество”, которое является крайне нестабильным. Как только кольцо неподвижных атомов разрушается, это нестабильное твердое вещество образует обычный кристалл. Авторы отмечают, что этот прорыв может помочь изменить использование редкоземельных металлов для преобразования и хранения чистой энергии, а также значительно усовершенствовать катализаторы на основе платины и углерода, которые часто используются в топливных элементах.
|
|
|
|
Источник
|
